Programma del corso. Rappresentazione delle Informazioni. Introduzione agli algoritmi. Architettura del calcolatore

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1 Programma del corso Introduzione agli algoritmi Rappresentazione delle Informazioni Architettura del calcolatore Reti di Calcolatori (Reti Locali, Internet) Elementi di Programmazione

2 Due parole sul concetto di FILE FILE: sequenza di byte conosciuta nel computer con un certo nome TIPI DI FILE: file di dati (es: immagini o suoni) programmi (es: word o explorer) file di testo (cioè caratteri ascii) ESTENSIONI DI UN FILE (windows) nome.gif, nome.exe, nome.doc,...

3 La struttura dei file E meglio vedere un file come una sequenza di byte. E il programma che usa il file a gestirne il contenuto in modo corretto Ad esempio, nei file di testo quando viene incontrato il byte = <new line> si devono visualizzare i caratteri successivi nella riga sottostante

4 Codifica di immagini

5 Codifica di immagini Un immagine è un insieme continuo di informazioni A differenza delle cifre e dei caratteri alfanumerici, per le immagini non esiste un'unità minima di riferimento Problema: rendere digitale una informazione prettamente analogica

6 Analogico e digitale Meta-informazione esplicita nel supporto Codifica ANALOGICA Meta-informazione implicita nella codifica Codifica DIGITALE

7 Il successo del digitale Rumore: effetto dell ambiente sul supporto. Quanto un supporto è immune al rumore? Codifica analogica: ogni configurazione è lecita dal punto di vista informazionale e quindi risulta impossibile distinguere il rumore dal segnale. Codifica digitale: un valore binario è associato a un insieme di configurazioni valide quindi si può riconoscere il rumore che porta in configurazioni non lecite trascurare il rumore che non fa uscire il segnale dall insieme associato alla stessa configurazione Tensione (V) 1 binario Non lecito 0 binario

8 Da analogico a digitale: la quantizzazione Ampiezza della grandezza fisica Codifiche assegnate ai valori scelti per rappresentare gli insiemi Valori rappresentativi dei diversi insiemi Demarcazione degli insiemi individuati

9 Da analogico a digitale: frequenza di campionamento La grandezza varia nel tempo e non può essere rappresentata da un solo valore. I valori di riferimento debbono essere rilevati in diversi istanti di tempo (frequenza di campionamento). La quantizzazione deve poi essere ripetuta per ogni valore campionato. Ampiezza della grandezza fisica Tempo

10 Valori rappresentativi Campionamento e quantizzazione Ampiezza della grandezza fisica Tempo

11 Codifica di immagini Esistono numerose tecniche per la memorizzazione digitale e l'elaborazione di un'immagine Una prevede la scomposizione dell'immagine in una griglia di tanti elementi (punti) che sono l'unità minima di memorizzazione - Formato Raster/Bitmap La seconda strada prevede la presenza di strutture elementari di natura più complessa, quali linee, circonferenze, archi, etc. - Formato Vettoriale

12 Immagini Digitali Tipo Definizione Proprietà Raster o Bitmap Mappata all'interno di una griglia, come un grande mosaico. Rappresentazione più semplice (richiesta poca elaborazione) Spazio maggiore per essere memorizzate. Vettoriale Basate su forme e colori generate tramite formule matematiche Ingrandimento teoricamente infinito. Rappresentazione più complessa

13 Immagini Digitali: Ingrandimento Raster o Bitmap Vettoriale

14 Codifica delle immagini B/N Dividere l immagine in una griglia a righe orizzontali e verticali Ogni quadratino della griglia è un pixel (picture element) Codificare ogni pixel con: 0 se il pixel è bianco 1 se il pixel è nero Convenire un ordinamento per i bit usati nella codifica

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16 Pixels Pixel = picture element, è il più piccolo elemento di una griglia in cui è diviso lo schermo. A ogni pixel si assegna un indirizzo in memoria, così che il computer può deciderne cololore e luminosità. Cella = unità minima nella quale è divisa la pagina stampata. Le sfumature di colore dipendono dalla tonalità preponderante nei puntini all'interno della cella. Risoluzione = qualità di un'imagine: Schermi -> numero di pixel (es: 640x480, 1024x768) Stampanti -> dpi (dot per inch, punti per pollice, ovvero numero di punti su una linea lunga 2,54 cm)

17 Codifica delle immagini B/N Consideriamo un'immagine in bianco e nero, senza ombreggiature o livelli di chiaroscuro Suddividiamo l immagine mediante una griglia formata da righe orizzontali e verticali a distanza costante

18 Codifica delle immagini B/N Ogni quadratino derivante da tale suddivisione prende il nome di pixel (picture element) e può essere codificato in binario secondo la seguente convenzione: il simbolo 0 viene utilizzato per la codifica di un pixel corrispondente ad un quadratino bianco (in cui il bianco è predominante) il simbolo 1 viene utilizzato per la codifica di un pixel corrispondente ad un quadratino nero (in cui il nero è predominante)

19 Codifica delle immagini B/N Poiché una sequenza di bit è lineare, si deve definire una convenzione per ordinare i pixel della griglia Hp: assumiamo che i pixel siano ordinati dall alto verso il basso e da sinistra verso destra La rappresentazione della figura è data dalla stringa binaria

20 Codifica di un immagine B/N Pixel = 1 codifica

21 Decodifica Codifica Immagine

22 Codifica delle immagini B/N Non sempre il contorno della figura coincide con le linee della griglia nella codifica si ottiene un'approssimazione della figura originaria La rappresentazione sarà più fedele all'aumentare del numero di pixel ossia al diminuire delle dimensioni dei quadratini della griglia in cui è suddivisa l'immagine zz

23 Codifica delle immagini B/N Quindi: le immagini sono rappresentate con un certo livello di approssimazione, o meglio, di risoluzione, ossia il numero di pixel usati per riprodurre l immagine. Risoluzioni tipiche 640 x 480 pixel; 800 x 600 pixel 1024 x 768 pixel; 1280 x 1024 pixel

24 Immagini in toni di grigio Le immagini in bianco e nero hanno delle sfumature, o livelli di intensità di grigio Per codificare immagini con sfumature: si fissa un insieme di livelli (toni) di grigio, cui si assegna convenzionalmente una rappresentazione binaria per ogni pixel si stabilisce il livello medio di grigio e si memorizza la codifica corrispondente a tale livello Per memorizzare un pixel non è più sufficiente 1 bit. con 4 bit si possono rappresentare 2 4 =16 livelli di grigio con 8 bit ne possiamo distinguere 2 8 =256, con K bit ne possiamo distinguere 2 K

25 Immagini a colori Analogamente possono essere codificate le immagini a colori: bisogna definire un insieme di sfumature di colore differenti e rappresentarle mediante una opportuna sequenza di bit Nella codifica RGB si utilizzano tre colori rosso (Red), verde (Green) e blu (Blue) Ad ogni colore si associa un certo numero di sfumature codificate su N bit (2 N possibili sfumature) Esempio con 2 bit per colore si ottengono 4 sfumature per colore con 8 bit per colore si ottengono 256 sfumature per colore e (16 milioni) possibili colori

26 Immagini a colori La qualità dell'immagine dipende dal numero di punti in cui viene suddivisa (risoluzione) dai toni di colore permessi dalla codifica;

27 Bitmap (o immagine raster) La rappresentazione di un immagine mediante la codifica a pixel viene chiamata bitmap Il numero di byte richiesti per memorizzare un bitmap dipende dalla risoluzione e dal numero di colori Esempio se la risoluzione è 640x480 con 256 colori occorrono bit = byte = circa 300 KB

28 Bitmap I formati bitmap più conosciuti sono BITMAP (.bmp), GIF (.gif), JPEG (.jpg) TIFF (.tiff) compressi In tali formati si utilizzano metodi di compressione per ridurre lo spazio di memorizzazione Aree dello stesso colore si rappresentano in modo abbreviato. E in genere possibile passare da un formato ad un altro

29 Compressione dei dati

30 Tecniche di compressione Le immagini possono richiedere molto spazio per la loro memorizzazione Esempi di tecniche di compressione volte 0, 2 volte 1 Memorizzazione non di tutti i bit o fotogrammi (riduzione di fedeltà rispetto all originale ma spesso non è percepibile dall occhio umano) Es. MPEG (filmati): un fotogramma ogni 12

31 Un semplice esempio con dizionario Compressione lossless con tecnica basata su un dizionario Testo di esempio: I re di Francia della dinastia Carolingia sono: Carlo II, Luigi II di Francia, Luigi III di Francia, Carlomanno di Francia, Carlo III detto il grosso, Odo, Carlo III detto il semplice, Roberto I di Francia, Rodolfo Duca di Borgogna, Luigi IV di Francia, Lotario di Francia, Luigi V di Francia (lunghezza: 292 caratteri) Analisi delle regolarità presenti nel testo: Si individuano le sequenze ripetute (parole) contando le ripetizioni e si compila il dizionario (vedere tabella) Si assegna un simbolo che la sostituisce ad ogni parola Il testo diventa: I re 1 2 della 1nastia Carolingia sono: 5 3, , 4 3I 1 2, 5manno 1 2, 5 3I 6 7 grosso, Odo, 5 3I 6 7 semplice, Roberto I 1 2, Rodolfo Duca 1 Borgogna, 4 IV 1 2, Lotario 1 2, 4 V 1 2 (lunghezza: 187 caratteri + 35 caratteri per il dizionario = 222 caratteri - 76% della lunghezza originaria) Un testo più lungo permette una efficienza maggiore! Indice Parola N 1 di 10 2 Francia 8 3 II 5 4 Luigi 4 5 Carlo 4 6 detto 2 7 il 2

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33 Qualità 90/100

34 Qualità 25/100

35 Qualità 10/100

36 Codifica vettoriale delle immagini Si utilizza quando le immagini da memorizzare hanno caratteristiche geometriche ben definite Il disegno da memorizzare può essere facilmente scomposto in elementi base come una linea o un arco di circonferenza La memorizzazione dell'intera immagine avviene tramite la codifica di ogni singola parte

37 Codifica vettoriale delle immagini Richiede poco spazio Per definire un segmento basteranno le coordinate dei due estremi (Linea dal punto <10;12> a <20; 30>) Il formato più diffuso è il PostScript (ps, eps) usato anche per la stampa dei testi Altri formati: wmf, cdr, ai (es:coreldraw, Illustrator, Inkscape)

38 Codifica dei filmati Immagini in movimento sono memorizzate come sequenze di fotogrammi Si sfrutta la limitatezza della capacità percettiva dell'occhio umano la sequenza continua di immagini viene discretizzata ottenendo una serie di immagini (frame) che variano velocemente, ma a intervalli stabiliti In genere si tratta di sequenze compresse di immagini ad esempio si possono registrare solo le variazioni tra un fotogramma e l altro (e.g. mpeg, etc)

39 Codifica dei filmati Esistono vari formati (comprendente il sonoro): mpeg (il piu usato) avi (microsoft) quicktime (apple) mov E possibile ritoccare i singoli fotogrammi Frequenza= Num. Fotogrammi nell unità di tempo (si misura in Hertz, Hz) Es. Immagini TV 25/30 fotogrammi al sec Es. Standard PAL 25 fotogrammi al sec

40 Elaborazione delle immagini Dopo la digitalizzazione un immagine può essere modificata modificando la sequenza di bit che la rappresenta Ad esempio Modifica dei colori Eliminazione oggetti rappresentati o loro sostituzione Trasmissione criptata delle pay-tv

41 Codifica dei suoni Si effettuano dei campionamenti su dati analogici L onda sonora viene misurata (campionata) ad intervalli regolari Si rappresentano i valori campionati con valori digitali La frequenza del campionamento determina la fedeltà della riproduzione del suono Minore è l intervallo di campionamento e maggiore è la qualità del suono Voce umana: 8000 campionamenti al secondo sono sufficienti CD musicali: campionamenti al secondo, 16 bit per campione

42 Codifica dei suoni Rappr. Analogica analoga alla quantità fisica in esame Rappr. Digitale Quantizzazione dell onda sonora Rappr. Digitale Campionamento dell onda sonora

43 Codifica dei suoni Rappresentazione tanto più precisa tanto più Frequente è la campionatura Maggiore il numero di bit per codificare l informazione Esempi Cassetta musicale: 22 KHz, 9/10 bit per campione Audio CD: 44,1 KHz, 16 bit per campione DVD: 48 KHz, 16 bit per campione Schede audio PC: 10/40 KHz, 16 bit per campione

44 Tecniche di compressione I suoni possono richiedere molto spazio per la loro memorizzazione tecniche di compressione: due tipologie senza perdita di dati (lossless): permette di non perdere neanche un bit dell informazione che si vuole comprimere con perdita di dati (lossy): per ridurre al minimo le dimensioni occupate elimina alcun bit dell informazione che si vuole comprimere

45 Tecniche di compressione MP3 (MPEG 1 Layer 3) utilizza una tecnica di compressione con perdita dei dati Il formato MP3: usa dei criteri psico-acustici umani: considera solo i suoni che il nostro cervello è in grado di percepire (sotto frequenza 20000Hz e non nascosti da suoni di intensità maggiore) Risparmio di 1/10 rispetto a formato.wav (bitrate 128 Kbit/s vs bitrate 1411 Kbit/s) dove bitrate = num di bit necessari per codificare 1 secondo di audio

46 Elaborazione dei suoni Dopo la digitalizzazione è possibile ad es. eliminare parte del suono (es. rumori di fondo) modificare il suono (es. eliminare le distorsioni) Sintetizzare suoni a partire da campioni musicali Aggiungere delle distorsioni (es. Filtri per riprodurre i fruscii dei dischi in vinile)

47 Codifica dei suoni Alcuni formati:.mov.wav.mpeg.avi.midi - usato per l elaborazione della musica al computer